謝成1 劉軍1 陳少松2 易曉明2

1.國家管網(wǎng)集團華南分公司； 2.北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：從珠三角地區油氣管道服役環(huán)境存在多種電干擾源的背景出發(fā)，分析了管道外腐蝕檢測常規做法存在的不足，針對復雜電干擾問(wèn)題提出了運用智能監測解決方案，并在試驗段進(jìn)行了工程實(shí)踐探索。通過(guò)總結實(shí)施效果，指出未來(lái)管道陰極保護智能監測技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：油氣管道；陰極保護；腐蝕檢測；智能監測；雜散電流干擾

油氣管道腐蝕是一個(gè)慢變量，需要長(cháng)期跟蹤監測和及時(shí)治理，防患于未然。管道腐蝕具有隱蔽性，不易檢測發(fā)現，現有技術(shù)手段，都是基于風(fēng)險的概率檢測，存在漏檢誤判，一旦管道失效，將造成嚴重的安全事故或生態(tài)環(huán)境破壞。

目前珠三角地區大型基礎設施建設正處于高速發(fā)展期，高壓交流和直流輸電、高鐵、地鐵等線(xiàn)路多與管道接近、并行或交叉，成為造成埋地管道腐蝕加速和運行安全風(fēng)險的主要雜散電流干擾源。

1  管道雜散電流干擾現狀

在珠三角地區，華南分公司運營(yíng)管道超過(guò)1300余公里，區域內有20多條地鐵線(xiàn)路，造成的動(dòng)態(tài)雜散電流干擾強度及腐蝕風(fēng)險世界罕見(jiàn)，管地電位波動(dòng)高達±30 VCSE以上，個(gè)別地段管道局部腐蝕壁厚損失接近70%，腐蝕速率最高達0.56 mm/a。

廣東省內有6處高壓直流輸電系統的大型接地極，監測數據顯示，接地極造成的干擾電壓最高304 V，為目前監測到的國內最高干擾電位值。根據模擬計算，接地極在單極大地返回運行模式下引起管地電位偏移2 V的范圍幾乎覆蓋全省范圍。此外，還存在大量高壓交流輸電線(xiàn)和交流電氣化鐵路等多種干擾源同時(shí)影響一條管道，以及更多復雜干擾源未被發(fā)現的情況。

2  管道外腐蝕檢測

管道外腐蝕檢測主要通過(guò)定期檢驗、日常人工巡檢的方法。按照標準要求，新建管道1～3 年內完成基線(xiàn)檢測，隨后每 5 年定期開(kāi)展外腐蝕直接評價(jià)（ECDA）。定期檢驗結合日常人工巡檢的方法可評估管道外防腐層質(zhì)量、陰極保護有效性、雜散電流干擾情況等，并結合防腐層破損處的開(kāi)挖調查，對管體腐蝕缺陷及環(huán)境腐蝕性進(jìn)行直接檢測和評價(jià)。

隨著(zhù)管道運行年限增加，防腐層老化、剝離、破損及雜散電流干擾問(wèn)題越來(lái)越突出。無(wú)論從時(shí)間還是地域維度看，管道腐蝕點(diǎn)都不是平均分布的，定期檢驗和日常人工巡檢很難及時(shí)發(fā)現全部外腐蝕缺陷，存在較高的漏檢概率和局限性。

（1）在時(shí)間維度上，人工檢測只能選取某個(gè)時(shí)間段操作，采集數據是不連續的，難以全時(shí)覆蓋并達到暫態(tài)級（秒級～分鐘級），而地鐵和高壓直流接地極等干擾具有暫態(tài)特征，因此很難捕捉到完整的干擾信息。

（2）從地域維度看，管道是敷設在不同地域的線(xiàn)性資產(chǎn)，達成覆蓋全線(xiàn)檢測不遺漏的成本和難度都很高；過(guò)去采取抽樣的辦法，很好地平衡了檢測成本和檢測目的的關(guān)系，但只要是抽樣就存在著(zhù)漏檢和誤判風(fēng)險。

（3）人工巡檢和人工記錄數據的方式很難保證數據質(zhì)量，專(zhuān)家普遍會(huì )質(zhì)疑這類(lèi)數據的真實(shí)可靠性，為后期評價(jià)帶來(lái)困擾。

3  智能化解決方案

3.1  陰極保護智能監測系統

陰極保護智能監測系統架構包括三層，即感知層、傳輸層和分析層。

（1）感知層：以智能測試樁的形式布設于管道路由沿線(xiàn)，其內部安裝自動(dòng)采集儀，配合長(cháng)效參比、極化試片等，實(shí)現對陰極保護電位、交流電壓、直流電流、交流電流、腐蝕速率、土壤特征等相關(guān)參數的自動(dòng)采集，并將采集數據進(jìn)行臨時(shí)存儲或通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)時(shí)上傳客戶(hù)端軟件管理平臺。

（2）傳輸層：數據傳輸網(wǎng)絡(luò )一方面將采集儀采集的數據通過(guò)特定方式和固定協(xié)議傳送給遠端服務(wù)器系統并進(jìn)行存儲，另一方面可以將客戶(hù)端發(fā)出的指令發(fā)送給采集儀，控制采集儀的工作方式。目前可以使用的無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )、衛星通信、低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等，也可以使用管道沿線(xiàn)的伴行光纖實(shí)現數據有線(xiàn)傳輸。

（3）分析層：包括客戶(hù)端管理平臺的各項分析功能組件。管理平臺軟件作為在線(xiàn)陰極保護評價(jià)工具，能把從遠程采集得到的陰極保護各項參數按照標準要求進(jìn)行判定、分析并給出預警。當系統發(fā)出預警時(shí)，軟件可指明故障原因、時(shí)間、地點(diǎn)，并將這些信息寫(xiě)入數據庫，方便查閱和存檔，為維保工作提供依據。

3.2  系統實(shí)施情況

2018年至2020年，華南分公司選取受雜散電流干擾嚴重的某試驗管段，共安裝智能測試樁300多套、智能抗干擾恒電位儀13套、腐蝕探頭19套，對管道的通電電位、斷電電位、交流電壓等參數進(jìn)行持續監測，用于評估陰極保護運行情況以及受交直流雜散電流干擾影響的程度，較全面采集了管道外腐蝕風(fēng)險的相關(guān)信息。

（1）試驗管段地鐵雜散電流干擾監測。HD段與深圳地鐵2號線(xiàn)平行并交叉，HD46+469、 HD45+076、HD47+310位于管線(xiàn)與地鐵交叉位置，受地鐵雜散電流干擾嚴重，測得通電電位波動(dòng)范圍為﹣7.31 V～3.35 V，平均值﹣1.81 V～﹣0.91 V，斷電電位波動(dòng)范圍為﹣1.53 V～0.24 V，平均值﹣1.24 V ～﹣0.65 V。

（2）試驗管段交流干擾監測。HD管段HD62+743智能測試樁監測到暫態(tài)交流干擾電壓峰值達到20.71 Vac，高于15 Vac，立即提醒現場(chǎng)作業(yè)時(shí)做好安全防護。BD段BD21#智能樁監測到穩態(tài)交流干擾電流密度達到57.21 A/m2，交流腐蝕風(fēng)險等級為中等，隨即啟動(dòng)密間隔數據采集模式，對其趨勢變化進(jìn)行持續監測。

（3）DP管段絕緣接頭狀態(tài)對管道電位的影響。2019年12月25日12時(shí)，試驗管段DP69、DP76、DP82智能測試樁監測到管道通/斷電電位出現同步正向偏移，經(jīng)核實(shí)，系因PH管道PS閥室絕緣接頭失效，DP管道與下游PH管道現場(chǎng)跨接連通所致（圖 1）。

圖 1 試驗管段DP段智能測試樁電位圖

（4）鄰近管道恒電位儀運行狀態(tài)對管道電位的影響。2020年6月8日至6月11日，DP61智能測試樁通/斷電電位正向偏移且IR降發(fā)生明顯變化，經(jīng)核實(shí)，為DP管段鄰近管道2#閥室恒電位儀意外停機所致（圖 2）。

圖 2 智能測試樁通/斷電電位圖

3.3  實(shí)施效果

（1）能夠持續實(shí)時(shí)監測陰極保護設備的運行狀態(tài)并獲取關(guān)鍵信息，及時(shí)發(fā)現陰極保護設備運行故障及保護效能下降情況，極大地縮短故障定位、診斷及通知的時(shí)間延遲。對系統和關(guān)鍵位置實(shí)現遠程監測，確保陰保系統運行有效性，有利于強化保護性能的長(cháng)期知識積累。遠程便捷優(yōu)化或修改陰極保護運行參數，減少或逐步取代定期現場(chǎng)數據采集工作，總體降低設備全周期維護費用等。

（2）智能監測系統在及時(shí)準確捕捉干擾信息方面獨具優(yōu)勢。新一代智能監測設備包含觸發(fā)監測功能，當交直流干擾電位水平超過(guò)正常運行范圍時(shí)，可以自動(dòng)觸發(fā)密集采集模式，及時(shí)捕捉到動(dòng)態(tài)干擾信號。多臺采集設備同步采集通斷電電位，有利于判斷干擾的范圍、強度、流入流出位置，確定高風(fēng)險區并指導后期的排流設計等工作。

（3）智能監測系統與腐蝕速率測試結合，可以實(shí)時(shí)監測管道腐蝕情況；與恒電位儀控制系統結合，根據智能監測系統監測并及時(shí)確定的管道欠保護位置、受干擾情況，通過(guò)設計算法可優(yōu)化區域陰極保護系統；通過(guò)監測定向鉆管段等位置，結合電流環(huán)或其他電流測試技術(shù)手段，可用于評價(jià)防腐層質(zhì)量和穿越段管道的真實(shí)陰極保護水平等。

3.4  系統存在的問(wèn)題

在成本費用約束下，智能測試樁優(yōu)先用于雜散電流干擾嚴重管段，在接近干擾源的位置分布相對密集，而在遠離干擾源的位置則覆蓋率較低。恒電位儀與管道沿線(xiàn)測試樁的智能化程度仍不匹配，因此，很多管道并未真正建立起具有自動(dòng)調控和聯(lián)動(dòng)機制的陰極保護智能監測系統。目前監測系統對管道腐蝕本身的監測仍非常少，系統積累的大量數據尚未充分挖掘利用，與智能管道的目標仍有相當差距。分公司陰極保護智能管理系統中，僅有13套恒電位儀具有遠程傳輸功能。為實(shí)現對管道陰極保護效果進(jìn)行全面分析評價(jià)，下一步將對恒電位儀進(jìn)行智能化改造，使其具有遠程監控功能；改進(jìn)試驗段安裝的腐蝕探頭使其具備遠程傳輸功能，從而實(shí)現快速適時(shí)綜合評估。

4  改進(jìn)方向

（1）運用機器學(xué)習，實(shí)現自動(dòng)分析和自動(dòng)生成報告。感知層設備每天采集和需處理的數據達幾十萬(wàn)條，解決數據不斷積累靠人工分析費時(shí)耗力和不可持續難題；深入挖掘數據價(jià)值，建立新模型，以輔助管理人員高效準確識別并預測腐蝕風(fēng)險；自動(dòng)診斷系統故障，實(shí)現無(wú)需人工干預的智能管控。

（2）接入多種感知設備，包括犧牲陽(yáng)極測試站、排流測試樁、交流緩解測試樁、跨接測試樁、絕緣接頭測試樁等，實(shí)現管道外腐蝕防護全場(chǎng)景的互聯(lián)互通。

（3）整合多維度、全時(shí)域和全地域的管道數據，實(shí)現基礎信息同步化和一致性。

作者簡(jiǎn)介：謝成，1980年生，國家管網(wǎng)集團華南公司資產(chǎn)完整性管理部經(jīng)理，高級工程師，目前主要從事管道完整性管理及外管道管理工作。聯(lián)系方式：13533075570，xiecheng@pipechina.com.cn。